针对颤音现象评估的汽车内部噪声品质指标的设计外文翻译资料

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针对颤音现象评估的汽车内部噪声品质指标的设计

作者：Gernot Weisch and Wolfgang Stucldschwaiger

出版：Copytight 1997 Society of Automotive Engineers, Inc

摘要

由于路面不平整导致汽车内部产生的宽频噪声是影响驾驶舒适性的主要原因，因此控制噪声成为近些年来最重要的声学发展课题之一。量化，即测量噪声，对系统开发工作和生产控制来说是最基本的。

在最初的调查中，普通的噪声测量参数（dB、dBA等）并不反映噪声特性。为了克服这个问题和用一些综合的可测量的参数代替认为的评估，心理声学软件AVL-EAR被开发出并用来评估内部噪声品质。大约有70位测试者对超过40辆不同的车的噪声进行主观评估，通过运用对测量数据逐对比较和统计的方法可以得到测量指标。这个指标反映的和人感觉到的噪声大小是一致的，对像个人乘用车这一类的车来说其相关系数为R=0.88。

介绍

控制汽车噪音的时代已经来临。排气噪声不再是外部噪音和发动机噪音的主要原因，它存在于乘坐区域，目前已经得到显著地降低。对噪声和振动源头的设计应该尽量满足舒适驾驶的原则。然而，它能实现的前提条件是拥有理想的行驶环境，比如沥青路面要光滑，且没有开裂和起伏，也不能有太大的不平整的部分比如大坑。

如果汽车行驶在非理想化的路面上，其内部噪声变化就会很明显。座椅，车门，方向盘，行李架等从间隙的一侧移动到另一侧时必然会产生碰撞和摩擦噪声。此外，现代汽车上大部分附件上的几个零部件会产生其特有的声音：如咯咯声，吱吱声，当啷声等等。

尽管这些内部噪声对汽车整体噪声的贡献仅仅居于次要地位，但却相当影响顾客的满意度。这些奇怪的噪声即使仅发出一次，乘客对这些特殊的噪声的敏感度明显上升并且变得恼火。通常，这没有影响汽车的正常功能，所以没有必要去检测故障和干涉发出声音的部位。最后，顾客会习惯这种声音并继续驾驶，对这种故障持续存在不满意。

为了让驾驶者最大限度的满意，减少次要的和由路面引起的噪声就成为汽车发展的一个重要课题，这需要从汽车设计到生产加工方面进行创新研究。

由于传统的声音测量方法难以反映人类对次要内部噪声的感觉，直接听就成为了发展阶段和质量控制的唯一方法。为了给非理想行驶环境下产生的噪声多少化定值描述，一款定制的软件将个人人感知到的噪声大小转化为测量参数值。

噪声的特质

行驶在不平整的路面上主要会对汽车悬架产生影响。根据汽车悬架的设计可知这种刺激会导致可动的和固定的刚性部件在一个低频率范围内振动，一般是在2-15Hz。除了刚性部件的振动，整个底盘也会在一个较为宽广的频率范围内振动，导致变形、零部件碰撞导致变松。

从根本上说，乘客区域内部不同零件因为有间隙而产生的相对运动导致了摩擦，进而产生了噪声，尤其是吱吱声。产生的吱吱声的噪声频率取决于几个参数，比如：材料组合、摩擦系数、标定载荷、相对速度和有关部件的刚度。

如果相对运动导致零部件间产生一个短暂的间隙，那么在它们重新接触前会产生一个碰撞，假设这种运动是周期性的，那么会产生一种特定的吱吱的噪声。这种吱吱声的声音品质取决于碰撞力（相对速度、质量），最大碰撞力，接触表面刚度（弹性），声音的传递性和辐射性。

然而，在这两种情况下，由路况导致的振动会让发动机内部的特定位置产生噪声。这些来源出现或者不出现取决于激发的环境和他们固有的共振频率，因此，吱吱声和咯咯声的出现存在随机性，这使得测量变得极其困难。

如图Fig.1所示，不同类型的由路况引起的噪声可以根据其频率范围区别。在非常低的频率范围内轮胎和路面的摩擦可以固定的在汽车内部产生嗡嗡的噪声。在这个频率范围内声音吸收很少，尤其在隆隆声频率范围，气腔共振会上升到很高的声压级水平。

咯咯的噪声的产生是由于重零件较高的冲撞力或者冲击力可以影响到整个底盘。这些特定的咯咯声主要在中低频范围内由于车身共振掩盖了咯咯声特性。在这种情况下，典型的咯咯声来源有：方向盘，转动轴，悬架，座位两肋，行李架，车门。。。咯咯声的作用是通常可以表明存在着功能性问题。轻型零件如冲击板、内部装饰、内部附件等是不会对汽车底盘产生激励，因而这些噪声的频率都是相当高，所以零件仅仅是局部振动并且引起共振的频率很高。这类型的噪声一般不会直接和功能性问题有关系，因此顾客不需要去费力消除这种噪声。与中低频的该噪声不同的是，高频率的更容易被检测出来。

发动机内部零件由于摩擦产生的噪声（吱吱声）能在高频范围内被检测出来。最近的调查显示如果激发振幅增高由摩擦引发的吱吱声会改变成为咯咯声。

图1由路面引起的内部噪声综述图

关于噪声品质参数的设计

如上所示，为了让一个噪声品质参数更为有效的评估内部噪声品质，这个参数必须可以反映不同类型的噪声。此外，它还应该适用于全部实际驾驶情况，因此在测量过程中的参数应该满足下列要求：

1.简单、方便的参数测定

2.充分、严格地激发出所有类型的噪声

3.信号记录应少受外界干扰

4.实验过程测量应选用传统、有效的分析仪表

5.结果应可靠、可重复

最初的调查表明，在崎岖不平的鹅卵石路面上驾驶车辆是最具代表性的噪声产生驾驶环境。大约25辆车和车内配置产生的内部噪声被记录到数字式录音磁带中，用来作为一个特别成熟的程序中的输入电路，这个程序可以将人感觉的噪声强弱转化成可测量的声学量。几年前，这个用来检测声品质的程序被很成功的应用到测量发动机噪声中来，并取名叫做AVL Annoyance Index，它一直被使用了6年。（见Fig.2）

图2声品质参数创立过程图

这个程序的基本思想是通过程序来比较噪声录音从而发现不同汽车的主观排名，取代对不同汽车采用不同的评估方法。第二步，主观排名联系测量的声学参数去确定不同的噪声录音，通过多重回归方法可以建立最典型的参数体系。这个方法的创作过程如下：

主观分析：几个噪声的例子通过位于汽车内部的话筒记录在数字式录音磁带中。这些噪声信号被重现于心理声学实验室环境，并使用计算机进行评估。测试人员通过他的感知对比一组声音并给出简单的“好与坏”的结论。每个测试人员获得的结果会构建一个匀称的矩阵，叫做“偏好矩阵”，见Fig.3。通过这个方法，多达12种噪声样品测试人员可以在15到20分钟的时间里完成评估，这是使测试人员保持专注，并作出正确的判断一个合理的时间间隔。

测试人员的个人分析：检查每个测试人员的测试结果是否一致是很重要的，结果会生成一个几乎为线性的噪声数值图。否则，此评价必须从其他的评价结果中排除出去，不能进入下一步的统计过程。不一致的结果可能由以下因素引起：

1.太多的“差不多”和“不确定”的结果；

2.实验过程中测量结果被更改；

3.违反了传递性（对立评价）；

4.评估过程中集中出现的问题。

图3在噪声比对中由测试人员主观确立的偏好矩阵

全部测量人员分析：根据固定的偏好矩阵，最终的偏好值可以被确定，从而可以确定全部的噪声等级。

应该多关注不同噪声等级的偏差，因为这些不同对下一步的评估结果的有效性有着决定性的影响。

因此，一个测试人员的结果与其他人不同的原因有：

1.太复杂的公式;

2.对“好”与“坏”的评定标准不统一。

结果的可靠性可以通过相关系数、对主要零件分析和群集分析的方法来确定。通过这些方法，确定的所有的成因可以被检测出来，这将为评定噪声等级给出重要的信息，如Fig.4所示。

客观参数：为了客观的评估噪声样品，一部分信号参数被分析并组成了一个参数系列，这个系列作为下一步统计步骤中的输入值（见Fig.5）。因此，建立61种不同的参数，其中既包括了最常用的频率加权噪声等级，也包含最新定义的一些评价参数，比如调变度、周期性等。

图4簇状构造图

回归分析：为了得到个人感观与上述提到的参数集中的可测量的心理声学参数之间的关系，应用了逐步多元回归分析方法，其集中思想是在使最小二乘方误差最小化的条件下，选取最具代表性的评定量表从而得出最适合的个人感观下的客观描述。这种方法得出了最佳参数组合和相应的权重因素从而建立起一个最终参数来表示主观的声品质或噪声烦恼度。

其中：

-主观排名向量；

-客观参数向量；

-回归系数；

e-余数向量；

-客观数据向量（算法）。

图5通过客观测定法确立的评价声品质等级的心理声学参数

确定噪声品质参数：通过这个过程，由于路面不平整引起的噪声品质参数被建立，具体如下：

响度（phone）；

调制水平（-）；

优化频率（Hz）；

清晰度（acum）。

其中：

响度：响度级ISO修改到532phon;

调制水平：根据人的敏感性并按照每个八音度带的权重进行调制；

优化频率：取单位为Hz并通过倒频谱分析来确定;

清晰度：清晰度根据Zwicker定律并按照响度图来计算。

输入确认

主观排名间的相关系数在成对比较的情况下被确定，这个排名是由R=0.55的噪声的参数确定的。然而，当应用于不同的内部噪声时，由于声品质不同，其相关系数可能在不同的窄频带中。为了测试参数确定的声品质同个人感观的一致性，举行了一个现场核实的测验。因此，9个测试人员对10类不同的汽车进行评估，并采用广泛使用汽车排名表的方法对1到10号汽车进行了排名。同时，另一队人计算声品质参数并与平均主观排名一一对应，如图6。最后得出较小的相关系数R=0.77，结果主要有以下两方面：

1.不同的个人排名表里分数高低是不同的；用这种方式，对同一辆汽车的评价，测试人员评分差距达到三分的情况也是有的；

2.对同种汽车的噪声参数有依赖思想；可以清晰地看到,由声品质参数评估得到的结果，c级车辆显示相对较低的主观分数,而a级车辆显示更高的主观的排名。这种情况也可以被解释成在这些类汽车中有对声品质的期望值不同。由此而论，必须提到一点就是在成对比较的过程中，,这种对声品质进行期望的行为不会影响主观判断,因为只有对噪声信号进行比较。测试人员没有足够的能力去判断已经记录下来的噪声。

图6不同类型发动机声品质等级

然而，与A类加权的声压级相比，声品质参数值反映出一个显著地进步，如图7。假如取单位为dBA，其相关系数大约是R=0.6。

图7 A级声压级和主观噪声等级的关系

为了量化对不同类别汽车的影响，一个针对拥有相同模型的不同汽车的附加的评估被实施。现在平均的主观排名与声品质参数间的相关系数可以计算出，得R=0.88。如图8所示，个人主观排名与声品质参数排名间有很多区别，这可能归因于在线性范围内个人难以靠感观正确地分辨两种不同的噪声强弱。关于声品质参数的未来应用在车辆开发工作中应该把主要精力放在特定的排名表并不匹配这个问题上。

图8统一模型中不同类型发动机的主观和客观噪声等级的关系

应用与展望

为了制造一款针对由路面不平整引起的噪声品质参数内容的有价值的开发工具，设计制造了一个使用数字数据采集板的简易测量装置，并用该测量装置进行信号分析过程和参数计算过程。同时，采用传统的PC手段进行后处理和数据输出。下一步，就可以通过特殊设计制造的声品质参数测量仪器来确定声品质参数的值。

采用自动化程序对声品质参数进行快速确定将成为一种全新的工具，他有以下作用：

1.对不同车辆进行评估；

2.确定颤音接收阈值；

3.生产控制；

4.颤音电阻测量；

5.颤音耐久性研究；

6.颤音开发工作；

7.颤音灵敏度研究；

8.车辆内部颤音的位置检测。

结论

在强度较高的驾驶条件下，颤音诱导的噪声可以通过明确的声品质参数进行有效的评估，这在很大程度上替代了主观的判断。作为发展特定心理声学软件和分析工具的重要部分，这些声品质参数显示出所有类别车辆的噪声水平的最适宜的相关性。当评估同种模型但是不同的车辆时，有时会出现参数评估和主观评价相关性很高（R=0.88）的情况。因此，一个新开发的用来评估和优化在非理想路面上驾驶产生的内部噪声品质的工具已经被设计出来。

参考文献

[1] Schiffbanker,H.,Brandl,F.K.,Thien，G.E.: Development and Applicati

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